越江海隧道由于其特点和综合优势逐渐成为连接河流、海域乃至国家区域的重要交通干线,随着国内外越江海盾构隧道的发展越来越快,建设数量越来越多,如何保证盾构隧道的安全、高效建设是面临的巨大挑战。盾构刀具长距离掘进和水下合理选择开仓查换刀时机是高水压复杂地层条件下长距离安全掘进的关键问题之一。本文通过大连、武汉、济南地铁等多个现场盾构工程实践调研,采用现场调研、理论和数值分析、室内试验和现场实测分析等方法,对盾构刀具磨损形式及规律、微观磨损机理和磨损预测模型开展研究,主要研究工作及成果如下:(1)自主研制了一套室内刀具磨损试验系统,具有操作简单、液压精度高、可重复性高、可实时控制和采集数据的优点,并且可根据需要更换模型刀具及土体材料,填补了国内刀具磨损试验装置及试验方法的匮乏。(2)开展室内刀具磨损试验,探讨了刀具前后角、硬度、安装半径、地层含水率、颗粒级配、等效石英含量和泥浆等因素对磨损系数的影响规律;提出了一种砂土地层刀具磨损系数的测试方法。(3)基于金属摩擦学理论,提出了盾构刀具磨损的主要来源为金属与岩样压碎区的相互作用,磨损并非单一的机制造成,而是多种不同磨损形式共同作用形成。通过室内磨损试验及电镜扫描的微观形貌和能谱分析,发现磨损类型主要包括黏着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损和腐蚀氧化磨损,其中黏着磨损和磨粒磨损是主要组成类型,且磨损主要形式不随刀具形状、硬度和磨粒材料的变化而改变。(4)基于已有盾构刀具切削破岩力学模型,提出了考虑滚刀均匀磨损的破岩力学模型、考虑切刀磨损成圆弧刀尖的切削土体力学模型和考虑切刀刀尖磨损成平面的切削软岩力学模型;探讨了刀具参数、地层参数和施工参数分别对三种模型的影响。采用可考虑变形和失效的HJC和JC本构模型对刀具破岩力学模型进行数值模拟,验证了理论模型的准确性;开展室内刀具切削破岩实验,从试验角度验证了理论模型的准确性。(5)基于刀具磨损微观机理,引入黏着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损的微观计算模型,结合刀具切削破岩力学模型,建立了软硬不均交互复合岩层、全断面硬岩地层以及软硬不均复合地层盾构滚刀和切刀的磨损预测模型。结合大连和武汉地铁等工程的现场实测数据进行验证分析,误差较小,表明推导的刀具磨损预测模型准确可靠。(6)结合大连地铁101标段工程盾构掘进参数和刀具磨损实测数据,研究了同一盾构区间不同地层变化下的盾构掘进参数联动规律;提出采用集多元线性回归分析、典型相关分析以及主成分分析为一体的偏最小二乘法进行磨损预测分析,建立了基于掘进参数联动规律的刀具磨损经验预测模型,并通过后续区间实测数据验证了预测模型的准确性。